刮板输送机电动机功率平衡控制策略及仿真分析_张一平.pdf

刮板输送机电动机功率平衡控制策略及仿真分析张一平（晋能控股煤业集团煤峪口矿机分厂，山西大同037003）摘要：为进一步提升刮板输送机的运输能力和可靠性，针对多电机刮板输送机功率不平衡问题，在对多电机刮板输送机技术参数研究的基础上，提出了多电机刮板输送机功率平衡控制策略和方案，并基于 Simulink 软件对神经网络的模糊控制策略对功率平衡控制效果进行仿真分析，为今后多电机刮板输送机的可靠、高效运行奠定基础。关键词：刮板输送机；多电机；功率平衡；神经网络；模糊控制中图分类号：TD528.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0199-020引言刮板输送机为煤矿综采工作面的运输设备，其与采煤机、液压支架统称为综采工作面的“三机”。刮板输送机的运输效率和安全性与煤矿综采工作面生产的安全性和生产能力息息相关。在实际生产中，由于复杂工况导致刮板输送机所承受的负载也处于动态变化状态，并具有一定的随机性。尤其是当刮板输送机在过载或者重载的运行工况下，极易导致设备电机的电流过大；其中，对于多电机驱动的刮板输送机还会导致驱动电机功率不平衡，从而引发刮板链断裂、电机损坏等1-3。因此，本文将重点开展刮板输送机电动机功率平衡控制研究，并对其控制策略的控制效果进行仿真分析。1刮板输送机概述刮板输送机的主要机械部件包括驱动装置、刮板槽、挡煤板、刮板链以及机头机尾架等。为了适应综采工作面高运速、大运量以及长距离的运输要求，传统单电机驱动已经不能够满足刮板输送机的运输要求。因此，当前综采工作面所配套的刮板输送机为多电机驱动。本文所研究的刮板输送机为三电机驱动，其中，在刮板输送机机头位置布置两个电动机，在机尾位置布置一个电动机，电机布置情况如图 1 所示。由图 1 可以看出，在机头布置的电动机一个平行于煤壁方向布置，另一个垂直于煤壁的方向布置；机尾的电动机以平行于煤壁的方向布置。该种电机的布置特点匹配大采高、重型的采煤机应用，对应刮板输送机的主要技术参数如表 1 所示。刮板输送机驱动电机为三相异步电动机，根据多电机驱动的情况，为实现刮板输送机高效、节能运行的效果，需要对刮板输送机各驱动电机功率的合理分配，从而实现机头、机尾驱动力一致，避免其中一个电机过载、重载导致其烧毁等。导致刮板输送机电机功率不平衡的因素主要包括刮板输送机承受负载处于变化状态、刮板输送机本身结构尤其是刮板链的结构参数发生变化等。本文重点对由于负载突变导致功率不平衡问题进行解决。2刮板输送机电机功率平衡控制策略研究随着刮板输送机运输距离的增加、所承受负载的变化较大等因素，对于多电机驱动的刮板输送机而言，主要存在的问题为各电机的输出功率不平衡。由于各电机的输出功率不均衡，进一步引发了刮板输送机的一端过载，而另一端则欠载，从而导致刮板输送机链条断裂甚至导致设备停机等问题4-6。2.1刮板输送机电机功率平衡控制思路刮板输送机电机功率平衡是根据其负载变化对各电机的输出转矩进行调整控制，使得各电机输出转矩之间的差值在合理范围之内，避免其中任何一个电机出现过载或者欠载的情况。在实际控制中，可通过对电机电流值反映其直接输出转矩。因此，刮板输送机的功率平衡控制原理如下页图 2 所示。由图 2 可知，通过对机头、机尾电动机的电流进行实时检测反映其输出转矩。当机头、机尾电机电流比值等于 1 时，说明机头机尾电动机功率平衡且无过载、欠载的情况；当机头、机尾电机电流比值不等于 1时，两电机的功率不平衡，需要对两电机的电流进行收稿日期：2022-04-28作者简介：张一平（1991），女，山西大同人，本科，毕业于中国矿业大学，助理工程师，研究方向为电气及其自动化。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.080图 1三电机刮板输送机电机布置示意图参数名称参数值运输长度/m257.25刮板链速度/（m s-1）1.41运输能力/（t h-1）3 500刮板槽内部宽度/mm1 130刮板链的中心距离/mm280刮板链链轮直径/mm330表 1某型三电机刮板输送机主要技术参数自动化系统设计机械管理开发第 38 卷比较，并根据比较结果实施相应的控制策略，实现机头机尾电机输出功率的平衡控制。2.2刮板输送机电机功率平衡控制策略针对刮板输送机功率平衡控制需求，本工程采用变频器实现对电机转速的控制，进而实现对其输出电流、输出转矩的控制。针对机头的双电机驱动的特点，采用一拖二变频器进行功率平衡控制；针对机尾的单电机驱动的特点，采用一拖一变频进行功率平衡控制。刮板输送机电机功率平衡控制系统如图 3 所示。本方案将采用基于神经网络的模糊控制算法实现对刮板输送机功率平衡控制目的。本文将对上述功率平衡控制策略的控制效果进行仿真分析。3刮板输送机电机功率平衡控制仿真分析根据基于神经网络的模糊控制算法建立了对应功率平衡控制框图，并基于 Simulink 软件建立仿真模型。根据刮板输送机驱动电机的参数对仿真模型的参数进行设置。对不同情况下刮板输送机功率平衡控制效果进行仿真分析。3.1刮板输送机启动特性仿真分析设定仿真时间为 40 s，对刮板输送机采用理想启动曲线的启动特性进行仿真，仿真结果如图 4 所示。如图 4 所示，在刮板输送机功率平衡控制策略的作用下，刮板输送机的实际链速能够按照给定链速进行控制；虽然在仿真的 1619 s 的时间段内实际速度与给定速度相比存在一定的滞后，但是滞后不严重。而且，在整个启动过程中，刮板输送机的最大启动加速度为 0.3 m/s2，说明对设备造成的冲击较小。3.2功率不平衡工况的控制效果设定仿真时间为 50 s，在 40 s 的时刻将负载增加至 270 N m；并在 45 s 的时刻将 1 号电机的负载转矩增加至 300 N m，2 号和 3 号电机的负载转矩不变。对上述工况下控制效果进行仿真分析，对各电机的电流的变化进行对比，仿真结果如图 5 所示。将图 5 中的电流值的变化趋势进行定量分析，如表 2 所示。如图 5 和表 2 所示，在功率不平衡工况，基于模糊控制策略能在极短的时间内达到功率平衡控制的目的；而且，最终驱动电机电流与平均电流的最大偏差仅为 1.02%。4结论刮板输送机为综采工作面的关键运输设备，其与采煤机、液压支架统称为综采工作面的“三机”。随着煤矿采煤机采煤能力的增加，对刮板输送机的运输能力、可靠性提出了更高的要求。为提升运输能力，刮板输送机驱动电机由单电机增加为多电机。本文重点针对多电机驱动刮板输送机的功率不平衡问题展开研究，并总结如下：1）基于神经网络的模糊控制策略，可保证刮板输送机实际速度按照给定速度运行控制；而且，在整个启动过程中，刮板输送机的最大启动加速度为 0.3m/s2，说明对设备造成的冲击较小。2）在功率不平衡工况下，基于模糊控制策略在极短的时间内达到功率平衡控制的目图 2刮板输送机功率平衡控制原理图 3刮板输送机功率平衡控制系统图 4刮板输送机启动特性仿真结果图 5刮板输送机功率平衡控制效果工况1 号电机2 号电机3 号电机40 s 加载至 270 N m25.8925.7125.5145 s 时刻 1 号电机加载至 300 N m26.6728.3328.14表 2功率不平衡工况电机电流变化单位：A机头电动机机尾电动机电流识别电流识别i1i2ii0i=0i0nn|i|i|PIDPIDStopCAN 总线CAN 总线CAN 总线变频器变频器控制器4.54.03.53.02.52.01.51.00.50.01015202530354005时间/s给定带速实际带速速度/（m s-1）35302520154041424344454647484950时间/s电流/A1 号电机电流2 号电机电流3 号电机电流（下转第 203 页）2002023 年第 6 期行停车处理，以达到保护设备的效果。4自动控制系统的应用效果分析为了验证设计的带式输送机自动控制系统性能，将设计的控制系统部署到 DTL120 工程实践中，并对其各项功能进行半年时间的现场测试。结果发现控制系统整体运行良好，各项功能都能够实现。通过对运用系统前后输送机运输效率以及故障率的统计发现，系统的成功实践应用，使得设备的运输效率提升了28%左右，整体的故障率下降了 35%左右。创造了良好的安全效益和经济效益，获得了企业技术人员的一致认可。5结语以矿用带式输送机为研究对象，基于 PLC 控制器设计了设备的自动控制系统，并将其部署到DTL120 输送机工程实践中。所得结论主要有：自动控制系统通过传感器对设备的运行状态信息进行实时采集，利用 PLC 控制器分析设备的安全状态，在此基础上控制其安全稳定运行；选用的 PLC 控制器型号为 S7-300，最重要的 CPU 模块型号为 CPU313，具有良好的性能，能在复杂的矿井工况环境下稳定运行；系统的软件程序基于模块化思想进行设计，由一个主程序对不同的子程序进行调取运行，实现对应的功能；将自动控制系统部署到煤矿工程实践中，结果发现设备的运行效率以及故障率分别提升了 28%和降低了 35%左右。参考文献1窦韶龙.浅析煤矿开采技术条件与采掘工艺J.当代化工研究，2021（18）：147-148.2李进元.永磁直驱变频一体机在任家庄煤矿主运带式输送机上的应用J.煤矿机械，2022，43（4）：148-150.3吴涛.煤矿带式输送机智能化关键技术浅析J.中国设备工程，2022（5）：36-37.4许建红.基于 CAN 总线通讯的煤矿用带式输送机控制系统设计J.江西煤炭科技，2022（1）：186-188.5陈乾，苗长云，刘意，等.基于以太网的带式输送机监控系统下位机设计J.仪表技术与传感器，2020（11）：95-100.6陈鹏麒.基于矢量控制的带式输送机能耗控制方法研究J.港工技术，2022，59（1）：66-69.（编辑：王慧芳）Design and Application of Automatic Control System for Belt Conveyors in Coal MinesZhao Dongdong（Shanxi Xiangning Coking Coal Group Maozequ Coal Co.,Ltd.,Xiangning Shanxi 042100）Abstract:The operational efficiency of belt conveyors plays an important role in ensuring the efficiency of coal mining.The designedautomatic control system utilizes sensors to detect the operating status of the conveyor,and after analysis and processing by the PLCcontroller,it safely controls the equipments operation process.The PLC controller is the core part of the system,using Siemens S7-300device,and providing a detailed introduction to the various sensor models used in the system.The software program of the system isdesigned based on modular thinking,mainly studying the main program,fault and protection subroutines.Applying the automatic controlsystem to the engineering practice of DTL120 belt conveyor,it was found through on-site testing that the transportation efficiency andfailure rate of the equipment were increased by 28%and reduced by about 35%,respectively.Key words:belt conveyor;auto-control;PLC controller的；而且，最终驱动电机电流与平均电流的最大偏差仅为 1.02%。参考文献1刘燕飞，王倩.基于模糊神经网络的感应电机直接转矩控制J.电力系统及其自动化学报，2008（3）：86-89.2单士睿，王保成，赵嘉.拖拉机电机矢量控制技术的研究：基于模糊神经网络+ADRCJ.农机化研究，2022，44（1）：253-258.3李正国，罗安，陈瑞诺.智能集成控制在大功率电弧炉系统中的应用研究J.信息与控制，2003，32（4）：309-313；317.4王劲松，张仁忠，张妤.基于粗糙集的模糊神经网络控制器的研究J.电机与控制学报，2008，12（4）：473-477.5曹先庆，朱建光，唐任远.基于模糊神经网络的永磁同步电动机矢量控制系统J.中国电机工程学报，2006，26（1）：137-141.6徐小增，李叶松，秦忆.基于模糊神经网络的异步电机速度控制系统J.南京航空航天大学学报（英文版），2004，21（3）：195-199.（编辑：李俊慧）Scraper Conveyor Motor Power Balance Control Strategy and Simulation AnalysisZhang Yiping（Coal Yukou Mining Machinery Branch Plant,Jinneng Holding Coal Group,Datong Shanxi 037003）Abstract:In order to further improve the transport capacity and reliability of scraper conveyor,for the multi-motor scraper conveyor powerimbalance problem,on the basis of research on the technical parameters of multi-motor scraper conveyor,the multi-motor scraper conveyorpower balance control strategy and scheme are proposed,and the power balance control effect is simulated and analyzed based on Simulinksoftware on the fuzzy control strategy of neural network,for the future This will lay the foundation for the reliable and efficient operation ofthe multi-motor scraper conveyor in the future.Key words:scraper conveyor;multi-motor;power balancing;neural network;fuzzy control（上接第 200 页）赵冬冬：煤矿井下带式输送机自动控制系统设计与应用研究203